Sistema ACTIDAFF®: Flotación-‐Filtración a contracorriente como

Sistema ACTIDAFF®: Flotación-­‐Filtración a contracorriente como pretratamiento para la desalinización Ana Mª Boix, Beatriz Corzo, Jordi Bacardit, Enrique Ferrero, Jorge J. Malfeito IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Contenido de la presentación • 
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Introducción Presentación de Resultados Conclusiones Agradecimientos IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Descripción del trabajo Fundamentos de la flotación Ubicación del Centro de I+D+i de Acciona Agua y de la Planta Piloto INTRODUCCIÓN IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Introducción: Descripción del trabajo realizado •  El objePvo de este trabajo es presentar las principales acPvidades que se han llevado a cabo para el diseño, desarrollo y opPmización del sistema ACTIDAFF®. •  Análisis mediante dinámica de fluidos del diseño de la cámara de flotación •  Caracterización y opPmización del sistema mediante pilotaje •  Desarrollo de método para el estudio y caracterización de diferentes lechos filtrantes IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Introducción: Fundamentos de la flotación ¿Cómo funciona? • Se basa en la generación in-­‐situ de micro-­‐burbujas (<100µm) mediante pérdida de presión súbita de una corriente de agua saturada de aire a presión (4-­‐6 bar). • Las micro-­‐burbujas se agregan a paraculas discretas y a flóculos, que por diferencia de densidad respecto al agua Penden a flotar. ¿Qué separa? • Elementos que Penen tendencia a flotar (menos densidad que el agua): Hidrocarburos, aceites, grasas y algas. • Paraculas que Penen una densidad prácPcamente igual a la del agua que con la agregación de micro-­‐burbujas su densidad conjunta es menor que la del agua: •  Flóculos. De esta forma, se puede eliminar color, materia coloidal y parte de la materia orgánica natural, gracias a la coagulación-­‐floculación. •  Giardia y Cryptosporidium IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Introducción: Fundamentos de la flotación ACTIDAFF® como pretratamiento en la desalinización en tomas abiertas Coagulante Cántara + Tamiz Mezcla Rápida Floculación ACTIDAFF® Segunda Filtración Estrategia de operación • Coagulación -­‐ Floculación -­‐ Filtración de primera etapa • Flotación -­‐ Filtración sin coagulante • Sistema completo: para eventos puntuales: bloom de algas, verPdos, tormentas, etc. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Ósmosis Inversa Introducción: Fundamentos de la flotación Factores importantes para el diseño • Coagulación-­‐Floculación ópPma • EsPmar el caudal másico de aire con las proporciones de flóculos -­‐ burbujas y dimensionar el sistema de aporte de aire • EsPmar el Pempo de residencia mínimo para el contacto entre flóculos y burbujas: zona de contacto • EsPmar la velocidad ascensional de los agregados: zona de separación. Edzwald, J.K., 2010. Dissolved air flotaPon and me. Water Research 44, 2077-­‐2106. Haarhoff, J., Edzwald, J.K., 2004. Dissolved air flotaPon modelling: insights and shortcomings. Journal of Water Supply: Research and Technology—Aqua 53 (3), 127-­‐150. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Introducción: Fundamentos de la flotación Esquema básico de ACTIDAFF® Aire IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Introducción: Fundamentos de la flotación Ventajas Inconvenientes •  Sistema modular adaptable •  Estrategia de operación flexible •  En la mayoría de los casos, ahorro de superficie instalada •  Carga hidráulica variable: el filtro produce una pérdida de carga que genera un flujo uniforme •  Carga hidráulica limitada por la velocidad de filtración (como máximo 15 m3/m2.h) Canal de reparto Conos IX congreso internacional Introducción: Ubicación del Centro de I+D+i y de Planta Piloto Barcelona: Centro I+D+i San Pedro del Pinatar II: Planta Piloto IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Dinámica de Fluidos Computacional OpPmización del sistema ACTIDAFF® Caracterización del sistema ACTIDAFF® Método comparaPvo de evaluación de medios filtrantes RESULTADOS IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) •  Cálculo numérico basado en la metodología de los volúmenes finitos. La región de interés se divide en pequeñas subregiones llamadas volúmenes de control. •  Las ecuaciones se discrePzan y se resuelven de forma iteraPva para cada volumen de control. Como resultado se obPene una aproximación del valor de cada variable en todos los puntos del dominio, que permite entender el movimiento del fluido. •  Para realizar este trabajo, se simuló una celda completa de ACTIDAFF®, compuesta de un cono completo de entrada de agua y el sistema de inyección de agua saturada de aire. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Validación mediante Dinámica de Fluidos (CFD) IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Descripción de la Planta Piloto IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: OpPmización del sistema ACTIDAFF OpTmización mediante diseño de experimentos • Parámetros estudiados y rangos Parámetro
Agitación mezcla rápida
Dosis de coagulante
Dosis de hipoclorito sódico
Carga hidráulica
Presión de saturación
Rango
200-­‐500
0-­‐7
0-­‐1
7-­‐15
4-­‐6
Unidades
s-­‐1
mg/L
mg/L
m3/m2.h
bar
Fracción recirculada
8-­‐12
%
Configuración medio filtrante
A o B
-­‐
Sistema
Tipo A
Tipo B
Altura medio superior
0,6 m
0,7 m
Altura medio inferior
0,6 m
0,5 m
Comentario
Gradiente de agitación
FeCl3
Como cloro residual
Respecto a la cámara de flotación
Presión de cámara de saturación
Caudal recirculado al saturador frente a caudal de entrada
Ver metodología experimental
Medio superior
1,4-­‐2,5 mm
1,5-­‐2,5 mm
Medio inferior
0,4-­‐0,8 mm
0,6-­‐0,8 mm
• Se ha caracterizado la calidad del efluente de salida en base a turbidez, SDI, MFI, hierro disuelto y hierro total y concentración total de paraculas (>1 µm). • Se toma también como referencia la carrera de filtración hasta alcanzar la pérdida de carga máxima permisible. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: OpPmización del sistema ACTIDAFF Ejemplo de opTmización de la operación • En una de las fases de experimentación, sobre la configuración Tipo B, se ha realizado un Diseño de Experimentos (DOE) mediante el método de Taguchi. • Las siguientes figuras muestran los diagramas de Pareto, que clasifican la importancia de las variables sobre turbidez y SDI. • Mientras que para la turbidez, una dosificación alta de coagulante parece ópPma, al analizar los valores de SDI se observa que una dosificación alta de cloruro férrico empeora la calidad del agua, ya que aumenta el SDI. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Caracterización del sistema ACTIDAFF Resumen de resultados • Para ambas configuraciones se observa que: Configuración A Configuración B Unidades Turbidez salida 0.125 ± 0.125 0.122 ± 0.091 mg/L Fe disuelto 0.076 ± 0.072 0.034 ± 0.032 mg/L Fe total 0.181 ± 0.105 0.094 ± 0.073 mg/L Part > 1 micra 958 ± 939 958 ± 585 1/mL Carrera media 25.44 ± 6.6 25.6 ± 17.1 hora Eliminación TOC 11.39 ± 7.61 11.32 ± 6.56 % •  La turbidez en el agua filtrada se manPene por debajo de 0,25 NTU en todos los casos, y por debajo de 0.12 NTU en un porcentaje elevado. Solo Configuración B •  Las carreras de filtración pueden alcanzar hasta 48 horas cuando el sistema opera en DOC condiciones ópPmas. Este valor disminuye C-­‐Biopolímeros C-­‐Sust. Húmicas significaPvamente con dosis no opPmizadas de Compuestos neutros coagulante (< 10 horas). Compuestos ácidos •  Se elimina una ligera porción de TOC. TOC entrada medio: 0,75 mg/L ± 0,07 •  Especial atención el hierro disuelto y hierro total. Estos parámetros se midieron durante el DOE, cuando la dosis de coagulante se modifica sin opPmizar. Aún así los resultados son aceptables. Imagen: fango generado en la superficie IX congreso internacional del flotador Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Entrada Salida Eliminación µg/L µg/L % 773 729 5.73 61 53 12.29 360 348 3.50 203 182 10.64 70 70 0.22 Resultados: Caracterización del sistema ACTIDAFF • 
EsTmación de costes de operación y reacTvos: Suponiendo el flotador permanentemente en marcha y considerando el consumos y rendimiento de equipos para planta piloto: Equipo
Potencia (kW)
Funcionamiento (horas/día)
Soplante
Agitador mezcla rapida
Bomba lavado
Bomba saturación aire
Dosificadora H2SO4
Dosificadora FeCl3
Dosificadora NaOCl
TOTAL
7,5
0,5
7,5
1,5
0,25
0,25
0,15
-­‐
0,25
24
0,167
24
24
24
24
-­‐
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• 
Consumo diario (KWh)
1,875
12
1,25
36
6
6
3,6
66,725
Consumo específico (kWh/m3)
0,003
0,020
0,002
0,060
0,010
0,010
0,006
0,111
ReacTvo
FeCl3
NaOCl
H2SO4
Consumo Densidad Consumo diario (L/día)
(kg/m3)
(kg/día)
9
15
60
1440
1250
1220
12.96
18.75
73.2
Consumo por m3 (kg/m3)
0.022
0.031
0.122
El consumo específico de operación del proceso es relaPvamente bajo dentro del coste total de la desalinización. El mayor consumo de reacPvos proviene del ácido sulfúrico, ya que en toda la operación se realizó un ajuste a un valor de pH de 6,8. Se está trabajando para opPmizar este coste sin causar una pérdida de eficiencia significaPva de la coagulación. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Caracterización del sistema ACTIDAFF Seguimiento de clorofilas: Clorofilas A y B • Sobre la configuración Tipo A, entre el 14/01/2010 y 07/09/2010, con unos valores de entrada de Clorofila A entre 0,044 µg/L y 0,399 µg/L, el efluente de salida presentó un valor siempre por debajo del límite de detección (<0,04 µg/L). • Sobre la configuración Tipo B, entre el 18/11/2010 y 27/06/2011, con valores de entrada de Clorofila A entre 0.043 y 0.320, el valor de Clorofila A en el efluente de salida fue siempre por debajo del límite de detección (<0,04 µg/L). • No se indican los valores de clorofila B porque en todas los casos no se alcanza el límite de detección (<0,04 µg/L). • Posteriormente entre enero y mayo de 2012, se han medido también las diatomes. Con valores de entrada entre 0,03 y 0,16 µg/L, el valor de diatomeas en el efluente tratado fue en todos los casos de 0. IX congreso internacional Imagen: flotación de algas sin necesidad de coagulante Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Caracterización del sistema ACTIDAFF® IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Método de evaluación de medios filtrantes •  En esta instalación también se caracteriza el comportamiento de los diferentes medios de filtración durante el contralavado, o también sirve para opPmizar el contralavado. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Método de evaluación de medios filtrantes Masa Acumulada = Masa de entrada – Masa de salida σt = depósito específico en el 1empo t vf = velocidad de filtración C0 y CE = concentración de sólidos en suspensión entrada y salida respec1vamente t = 1empo L = altura del lecho σb = depósito específico en breakthrough tb = 1empo hasta el breakthrough Crizenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J. and Tchobanoglous, G., 2005. Granular FiltraPon. En: Water Treatment: Principles and Design. MWH. New Jersey, pp. 867-­‐954. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Método de evaluación de medios filtrantes •  El agua base para la realización de estos ensayos es agua de red con 5 mg/
L de una dispersión de elementos inorgánicos de un tamaño aproximado de 20 µm y 5mg/L de una suspensión orgánica. En línea, se dosifica una dosis fija de coagulante en base aluminio (PACl). •  Se realiza la experimentación mediante diseño de experimentos (método de Taguchi) Variable
MEDIO
ALTURA
VELOCIDAD
Nivel 1
A
0,5m
5m/h
Nivel 2
B
1m
10m/h
Nivel 3
C
1,5m
15m/h
IdenTficación
A
B
C
Tipo
Arena
Antracita
Arcilla expandida
Granulometría
1-­‐2mm
1,4-­‐2,5mm
0,8-­‐1,6mm
•  Se analiza la influencia de cada variable sobre las respuestas seleccionadas. •  Capacidad de acumulación específica del medio de filtración, turbidez absoluta acumulada, Pempo en zona efecPva de filtración, Pempo hasta alcanzar un valor de turbidez de 1 NTU, Pempo hasta alcanzar una determinada pérdida de carga o coagulante residual por ejemplo. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Resultados: Método de evaluación de medios filtrantes • 
Como ejemplo, se presenta el análisis de varianza sobre la capacidad específica del lecho: masa acumulada por volumen de lecho. A: Arena • 
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B: Antracita C: Arcilla Expandida Se cumplen las premisas del modelo: la capacidad de acumulación depende del volumen de lecho dentro de los rangos de operación. Se pueden clasificar los medios filtrantes según la masa acumulada por volumen de lecho (mg/L) durante el período de filtración efecPva o hasta un determinado valor de turbidez. IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Conclusiones IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
Agradecimientos IX congreso internacional Madrid > 12, 13, 14 y 15 de noviembre de 2012
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